DESAIN DAN REALISASI ANTENA BTS GSM FREKUENSI 1710-1805 OMNI-DIRECTIONAL DENGAN METODE DISCONE WIRE Riga Marga Limba 1 Dr. Ir. Heroe Wijanto M.T. 2 Budi Syihabuddin S.T., M.T. 3 [1],[2],[3] Fakultas Teknik Elektro Universitas Telkom Jl. Telekomunikasi, Dayeuh Kolot, Bandung 40257 Indonesia [1] limbariga@gmail.com [2] heroe.wijanto@telkomuniversity.ac.id [3] budisyihab@telkomuniversity.ac.id Abstrak Pada penelitian ini dikembangkan antenna yang dapat digunakan untuk telekomunikasi mobile. Antenna yang dirancang dengan modifikasi dari antenna discone, yang terdapat 2 bagian, patch dan ground. Patch yang berbentuk dish dan groun berbentuk cone. Perancangan antenna ini untuk dipergunakan pada teknologi pikocell atau microcell yang dapat di gunakan pada posisi blank area, seperti di dalam gedung bertingkat, di daerah perkantoran dan mall. Antenna yang dirancang pada frekuensi 1,71 GHz sampai dengan 1,805 GHz dengan memiliki kelebihan dari polaradiasi berbentuk omni direksional, kesegala arah pada satu bidang tertentu, dengan besar gain sebesar 1,786 dbi pada simulasi dan 2,444 dbi pada pengukuran fabrikasi. VSWR yang di dapat bernilai 1,22 untuk simulasi dan 1,071 untuk fabrikasi. Secara keseluruhan, antenna yang dirancang, di simulasikan dan fabrikasi tidak banyak mengalami perbedaan, dan spesifikasi antenna yang di rancang sesuai dengan kebutuhan dari antenna picocell dan microcell. Kata Kunci : GSM, Antena, Gain dan discone Abstract In this study developed antenna that can be used for mobile telecommunications. Antenna designed by modification of discone antenna, which contained two parts, the patch and the ground. Patch shaped cone -shaped dish and ground. The design of this antenna for use in picocell or microcell technology that can be used on a blank area of the position, such as in buildings, offices and malls in the area. Antenna designed at a frequency of 1.71 GHz to 1.805 GHz to have an excess of polaradiasi shaped omni directional, in all directions in a particular field, with a large gain of 1.786 and 2.444 simulations dbi in dbi in the fabrication of measurement. VSWR can be valued at 1.22 to 1.071 for the simulation and fabrication. Overall, the antenna that is designed, simulated and fabricated not experience any difference, and specifications antenna that is designed according to the needs of picocell and microcell antenna. Key Words : GSM, Antenne, Gain dan discone I. PENDAHULUAN Sistem GSM merupakan sistem telekomunikasi seluler, yaitu system telekomunikasi yang membagi area layanannya kedalam sel-sel. Pada setiap sel dapat dialokasikan sampai dengan 6 frekuensi pembawa (mengacu kepada bentuk konvensional sel yaitu berupa heksagonal). Implementasi jaringan radio GSM umumnya didesain dengan empat jenis sel yaitu: macro cell, micro cell, pico-cell dan umbrella cell dengan alokasi frekuensi dan kapasitas jaringan mempertimbangkan luas area layanan yang diinginkan dan peningkatan jumlah populasi pengguna pada masa mendatang sehingga kualitas pelayanan memenuhi Grade of Service (GoS) yang ditetapkan. Teknik yang digunakan pada antenna ini adalah pengembangan dari antenna monopole dan dipole. Yang mana tipe antenna ini memiliki bagian peradiasi atau sumbu positif dan bagian groundplan yang mana kebanyakan perhitungan dimensinya menggunakan perkalian dari lamda (panjang gelombang). Tujuan dari penelitian adalah, merancang Antena BTS GSM untuk digunakan sebagai Microcell, merancang Antena GSM Microcell dengan bentuk antena discone wire, frekuensi operasi 1710 1805 MHz, simulasi dengan software CST Microwave 2012 dan membuatnya antena nyata, serta menganalisis perbandingan kinerja simulasi dan antena yang nyata.
Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan, implementasi dan menganalisis kinerja serta melakukan analisa untuk parameter gain. Dalam perancangannya ada beberapa masalah yang mungkin timbul, diantaranya, bagaimana mendapatkan karakteristik yang tepat agar antena dapat bekerja pada frekuensi GSM 1710 1805 MHz, bagaimana merancang dan mendesain antena gsm sesuai dengan karakteristik yang diinginkan, melakukan Analisa terhadap gain pada antenna yang akan di buat, bagaimana perbandingan antara simulasi menggunakan software dengan pengukuran antena secara langsung. Penelitian ini menggunakan metodologi eksperimental dengan langkah- langkah sebagai berikut, studi literatur, simulasi dan perancangan, proses realisasi, proses pengukuran dilakukan dua kali, dan terakhir, analisis. II. DASAR TEORI 2.1 Antena Indoor [4] Antenna indoor terdiri dari 2 macam yaitu Omni-directional dan directional (Plannar). Pemilihan antenna pada ruangan disesuaikan dengan kondisi ruangan tersebut. Un ruagan yang melebar disarankan agar menggunakan antenna Omni-directional. Sedangkan untuk ruangan yang berbentuk memanjang seperti lorong disarankan menggunakan antenna Directional. Pola radiasi dari antenna Omni-directional dan Directional. 2.2 Microcell [1] Micro cell jenis ini biasanya ditempatkan di pinggiran jalan atau di sela-sela pojok gedung. Micro cell dirancang bagi komunikasi pelanggan dengan kepadatan tinggi, namun bermobilitas rendah. Ciri micro cell yakni converage nya kecil namun kapasitas besar dengan transmit power yang rendah. Biasanya antenanya cukup dipasang di plafon atau langit-langit suatu ruangan, ada juga tanpa antena alias ditempel pada dinding. Micro cell sendiri dibagi ke dalam micro cell standar, pico cell, dan nano cell. Maksimum micro cell mempunyai jangkauan antara 500 meter hingga 1 km. Ketika jangkauan layanan sangat kecil, mungkin dalam satu bangunan, maka digunakan unit yang lebih kecil yang disebut picocells. 2.3 Antena [4] Antena merupakan suatu alat yang dapat merubah besaran listrik dari saluran transmisi menjadi suatu gelombang elektromagnetik (GEM) untuk diradiasikan ke udara bebas. Ruang-ruang di sekitar antena dibagi ke dalam 3 daerah, yaitu, daerah medan dekat reaktif, daerah medan dekat radiasi, dan daerah medan jauh. 2.4 Peraturan Tentang Alokasi Frekuensi di Indonesia [7] Pada sekitar tahun 1996 dilakukan tender (beauty contest) izin penyelenggaraan DCS/GSM-1800 MHz sebesar 15 MHz FDD (pasangan kanal downlink dan uplink) untuk sejumlah daerah sesuai pembagian wilayah KSO (7 wilayah). Di era 1990-an, ketiga operator GSM utama (Telkomsel, Satelindo, Excelcomindo) diberi tambahan alokasi frekuensi di GSM-1800 MHz, sehingga seluruh jumlah bandwidth GSM-900/1800 menjadi sama FDD 15 MHz. III. PERANCANGAN DAN SIMULASI 3.1 Bentuk Antenna yang Disimulasikan Simulasi antena dalam tugas akhir ini menggunakan software CST Microwave Studio 2012. Bentuk antena disccone-wire yang akan disimulasikan adalah seperti di bawah ini. Gambar 1. Antena Discone Wire 3.2 Perhitungan Antena Perhitungan antenna menggunakan pendekatan perhitungan dipole, dimana menentukan panjang gelombang yang merambat pada bahan terlebih dahulu. =, dimana c adalah kecepatan cahaya, dan f adalah frekuensi center dari antenna yang di rancang. Dalam perancangan antenna ini, permitivitas bernilai 1, karena di udara. Sehingga panjang gelombang = = 0,1706 meter = 17,069 cm. Antena yang di rancang menggunakan bahan tembaga, hal ini bertujuan untuk mempermudah melakukan fabrikasi antenna, agar mudah
di solder menggunakan timah. Antenna yang di rancang menggunakan saltran berupa kabel sebagai catuan antara konektor dengan antenna. Impedansi antenna 50 ohm. Tabel 1. Perhitungan Antena Variabel Perhitungan (mm) Simulasi (mm) Lebar dish (jari-jari) 17,069 22,5 Panjang pipa cone 51,27 48.8 Penyambung 6,836 7 Lebar cone jari-jari 25,635 27,98 Panjang Saltran 49.725 43.5 Gap 0.8545 1 3.3 Simulasi Antena Return Loss Gambar 2. Hasil Simulasi Antena Return Loss Hasil dari simulasi return loss, dengan nilai untuk frekuensi 1,71 Ghz sebesar -18,049 db, dan untuk frekuensi 1,805 GHz sebesar -19.898 db. 3.4 Simulasi Antena VSWR Gambar 3. Hasil Simulasi Antena VSWR VSWR yang di dapat dari simulasi, dengan hasil pada frekuensi 1,71 GHz sebesar 1,2862 dan frekuensi 1,805 GHz sebesar 1,2252.
3.5 Simulasi Antena impedansi Gambar 4. Hasil Simulasi Antena Impedansi Hasil simulasi impedansi antena pada frekuensi 1,71 GHz sebesar 56-j12,12 ohm dan frekuensi 1,805 GHz sebesar 58-j7,98 ohm. 3.6 Simulasi Antena Polaradiasi dan Gain Frekuensi 1710 MHz Gambar 5. Hasil Simulasi 3D Polaradiasi Azimuth Gambar 6. Hasil Simulasi 3D Polaradiasi Elevasi Gambar 5 adalah hasil simulasi 3D polaradiasi Azimuth Frekuensi 1,71 GHz. Sedangkan gambar 6 adalah hasil simulasi 3D polaradiasi elevasi Frekuensi 1,71 GHz. Berdasarkan simulasi, polaradiasi yang dihasilkan pada frekuensi 1,71 GHz, menghasilkan bentuk polaradiasi donat, atau mengarah kesegalah arah pada suatu bidang tertentu. Dengan gain yang di hasilkan sebesar 1,789 dbi. 3.7 Simulasi Antena Polaradiasi dan Gain Frekuensi 1757,5 MHz Gambar 7. Hasil Simulasi 3D Polaradiasi Azimuth Gambar 8. Hasil Simulasi 3D Polaradiasi Elevasi Gambar 7 adalah hasil simulasi 3D polaradiasi Azimuth Frekuensi 1,7575 GHz. Sedangkan gambar 8 adalah hasil simulasi 3D polaradiasi Elevasi Frekuensi 1,7575 GHz. Berdasarkan simulasi, polaradiasi yang dihasilkan pada frekuensi 1,7575 GHz, menghasilkan bentuk polaradiasi donat, atau mengarah kesegalah arah pada suatu bidang tertentu. Dengan gain yang di hasilkan sebesar 1,749 dbi.
3.8 Simulasi Antena Polaradiasi dan Gain Frekuensi 1805 MHz Gambar 9. Hasil Simulasi 3D Polaradiasi Azimuth Gambar 10. Hasil Simulasi 3D polaradiasi Elevasi Gambar 9 adalah hasil simulasi 3D polaradiasi Azimuth Frekuensi 1,805 GHz. Sedangkan gambar 10 adalah hasil simulasi 3D polaradiasi Elevasi Frekuensi 1,805 GHz. Berdasarkan simulasi, polaradiasi yang dihasilkan pada frekuensi 1,805 GHz, menghasilkan bentuk polaradiasi donat, atau mengarah kesegalah arah pada suatu bidang tertentu. Dengan gain yang di hasilkan sebesar 1,699 dbi. IV. PENGUKURAN DAN ANALISIS 4.1 Syarat Pengukuran Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam proses pengukuran (kondisi ideal pada saat pengukuran ) adalah sebagai berikut, Frekuensi sistem harus stabil, Kriteria medan jauh harus dipenuhi, Lingkungan bebas pantulan, Lingkungan harus bebas dari noise dan interferensi benda-benda sekelilingnya, dan Impedansi dan polarisasi harus sesuai. 4.2 Pengukuran VSWR, Bandwidth, Return Loss, dan Impedansi 4.2.1 Prosedur Pengukuran Setelah melakukan proses pencetakan antena kemudian dilakukan pengukuran antena. Pengukuran dari antena ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik dari antena yang telah kita rancang sebelumnya. Hasil dari pengukuran antena akan dibandingkan dengan hasil dari perancangan awal dan hasil dari simulasi software. Hasil perbandingan tersebut akan dianalisis sehingga diketahui jika terjadi penyimpangan pada antena. Parameter yang diukur pada antena ini dibagi menjadi dua bagian diantaranya pengukuran dalam dan pengukuran luar. Pengukuran dalam meliputi pengukuran VSWR, bandwidth, impedansi, return loss dan mutual coupling. Sedangkan untuk pengukuran luar meliputi pola radiasi, polarisasi dan gain. Pengukuran sendiri dilakukan di LIPI Bandung. Alat ukur yang digunakan untuk pengukuran adalah sebagai berikut, Network Analyzer, Spectrum Analyzer, dan Sweep Oscilator. 4.2.2 Hasil Pengukuran dan Analisis Gambar 11. Hasil Pengukuran VSWR Pada pengukuran VSWR, seperti terlihat pada Gambar 4.2 dapat dilihat bahwa pada frekuensi 1710-1805 MHz memiliki VSWR 1.5, dan pada frekuensi 1800 MHz memiliki nilai VSWR sebesar 1,071. Dari hasil yang diperoleh, hal ini telah sesuai dengan spesifikasi awal yang diharapkan, yaitu bekerja pada frekuensi 1710-1805 MHz dan memiliki nilai VSWR 1,5.
Gambar 12. Hasil Pengukuran Impedansi Pada Gambar 4.3 dapat dilihat bahwa pada frekuensi tengah 1800 MHz nilai impedansi yang terukur adalah 49,044 j3,204 Ω. Jika impedansi diperoleh tepat 50 Ω maka VSWR akan sangat kecil, yaitu sebesar 1,00, yang artinya tidak terjadi pantulan, dengan kata lain = 0, maka Z saltran = Z antena. Maka untuk frekuensi yang memiliki nilai VSWR mendekati 1, memiliki nilai impedansi yang terukur mendekati 50 Ω. Pada umumnya, saluran transmisi kabel koaksial alat ukur memiliki nilai impedansi standar 50 Ω. Gambar 13. Hasil Pengukuran Return Loss Pada gambar 4.4 frekuensi tengah 1800 MHz diperoleh nilai return loss sebesar -29,240 db. Nilai return loss merupakan parameter S yang memiliki implikasi nilai yang sama dengan VSWR. Tetapi level yang dihasilkan dalam bentuk decibel. 4.3 Pengukuran Polaradiasi, Polarisasi, dan Gain 4.3.1 Prosedur Pengukuran Prosedur pengukuran polarisasi antena tersebut adalah sebagai berikut: 1. Hubungkan antena pemancar ke Sweep Oscilator dan Antena Under Test (AUT) atau antena penerima dihubungkan ke Spectrum Analyzer. 2. Atur jarak pengukuran untuk medan jauh 3. Antena penerima (AUT) diputar-putar setiap 10 0 sekali dengan cara diputar secara manual untuk pengukuran polaradiasi dan Antena penerima diputar horizontal setiap 10 0 per-pengukuran untuk polarisasi. 4. Catat hasilnya di dalam tabel (dalam setiap 10 0 per-pengukuran dan pencatatan data hasil dilakukan sebanyak dua kali), dan dimasukkan kedalam Microsoft Excel untuk diplot gambarnya.
4.3.2 Hasil Pengukuran dan Analisis 300 310 290 280 270 260 250 240 230 0.00 0 10 Penguku 20304050 320330340350-10.00 60-20.00 7080 220-30.00 210 200 190 180 170 90 100 110 120 130 140 160 150 Gambar 14. Hasil Pengukuran Polaradiasi Azimuth 300 310 290 280 270 260 250 240 230 0.00 0 10 20304050 320330340350 Penguk -10.00 60-20.00 7080 220-30.00 210 200 190 180 170 90 100 110 120 130 140 160 150 Gambar 15. Hasil Pengukuran Polaradiasi Elevasi Gambar 7 merupakan hasil pengukuran pola radiasi azimuth dan hasil dari simulasi. Gambar 8 merupakan hasil pengukuran pola radiasi elevasi dan hasil dari simulasi. Dari hasil pengukuran polaradiasi dapat terlihat pola radiasi baik secara azimut maupun elevasi. Hasil yang terjadi sudah mendekati spesifikasi yang telah ditentukan sebelumnya. Pola radiasi yang dimaksud adalah omnidireksional tetapi dengan level daya yang berbeda disetiap sudut nya.untuk pengukuran polarisasi, dengan analisis rasio kuat medan elektrik yang diketahui bahwa axial rasio (AR) AUT adalah 7,98. Sehingga dapat diketahui bahwa Antena Under Test (AUT) berpolarisasi elips karena polarisasi linier axial rasio-nya adalah 1 < AR <, sedangkan axial rasio untuk polarisasi sirkular sama dengan 1 dan axial rasio untuk polarisasi linier sama dengan. 4.4 Pengukuran Gain 4.4.1 Prosedur Pengukuran Adapun langkah-langkah pengukuran gain antena adalah sebagai berikut: 1. Antena uji ditempatkan sebagai penerima yang akan menerima daya pancaran dari pemancar. Arahkan pada sumbu utama pola pancarnya. Catat daya yang terbaca pada Spectrum Analyzer (dbm). 2. Ganti antena uji dengan antena horn sebagai anatena referensi. Catat daya yang terbaca pada Spectrum Analyzer. 3. Bandingkanlah kedua hasil, kemudian gain antena hasil pengukuran dihitung dengan Persamaan G AUT(dBi) = P AUT(dBm) P REF(dBm ) + 2,14 dbi Keterangan, G AUT(dBi) P AUT(dBm) P REF(dBm) = gain antena yang diukur = level daya terima AUT = level daya terima antena referensi 4.4.2 Hasil Pengukuran dan Analisis Pengukuran Tabel 2. Hasil Pengukuran Gain AUT Antena Referensi (-dbm) (dbm) (-dbm) (dbm) 1 21,52-21,52 20,78-20,78 2 21,58-21,58 20,88-20,88
3 21,42-21,42 20,63-20,63 4 21,54-21,54 20,75-20,75 5 21,64-21,64 20,83-20,83 6 21,51-21,51 20,67-20,67 7 21,57-21,57 20,86-20,86 8 21,38-21,38 20,97-20,97 9 21,40-21,40 20,82-20,82 10 21,53-21,53 20,94-20,94 Rata-rata 20,509-20,509 20,813-20,813 Dari hasil pengukuran yang diperoleh seperti pada Tabel 4.1, maka kita dapat mengetahui gain yang dihasilkan oleh antena yang direalisasikan. Besarnya gain dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan. G AUT = P AUT(dBm) P REF(dBm ) + 2,14 dbi = -20,509-(-20,813)+ 2,14 dbi = 2,444 dbi 4.5 Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Hasil Pengukuran Tabel 3. Perbandingan Spesifikasi, Simulasi, dan Realisasi Antena Parameter Spesifikasi Antena yang Diharapkan Hasil Pengukuran Simulasi Hasil Pengukuran Antena Frekuensi kerja (VSWR 1,5) 1,7-1,805 GHz 1,62-1,9 GHz 1,65-2,15 GHz VSWR pada frekuensi 1,7575GHz 1,5 1,2271 1,071 VSWR pada frekuensi 1,71 GHz dan 1,805 GHz 1,5 1,286 dan 1,225 1,101 dan 1,23 Impedansi 50 Ω 56-j12,12 Ω 49,004 - j5,577 Ω Gain 1,5 x 3,5 dbi 1,798 dbi 2,444 dbi Pola Radiasi omnidirectional omnidirectional omnidirectional Elips Polarisasi Linear Linear dengan nilai AR = 7,98
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari seluruh proses perancangan dan realisasi ini adalah sebagai berikut: 1. Performansi antena hasil perancangam, Return Loss -29,24, VSWR 1,071, Impedansi 49,004 - j5,577 Ω, pada frekuensi 1800 MHz dan gain 2,444 dbi. 2. Dari hasil pengukuran pola radiasi baik secara azimut maupun elevasi didapat hasil pola radiasi omnidirectional. Ini dapat disimpulkan bahwa pola radiasi antena adalah omnidireksional tetapi dengan level daya yang berbeda disetiap sudut nya. 3. Pengaruh wire terhadap parameter adalah bandwidth antenna menjadi broadband. 5.2 Saran Untuk mendapatkan performansi antena yang cukup baik, maka ada beberapa hal yang bisa dijadikan saran sebagai perkembangan ke depannya, antara lain: 1. Untuk mendapatkan hasil antena Cone yang lebih baik, disarankan untuk lebih selektif dalam memilih bahan Material yang akan digunakan dan penentuan dimensi antena. 2. Untuk meningkatkan performansi antena, selain beberapa faktor di atas, disarankan juga untuk memperhatikan faktor-faktor lain, seperti: ketelitian dalam pemasangan konektor dan pemilihan tempat dilakukannya pengukuran antena secara medan jauh. 3. Dapat digunakan pada metode groundplane dan bahan Material lainnya. DAFTAR PUSTAKA [1] Balanis, Constantine A. (2005). Antenna Theory Analysis And Design Third Edition. JWS. New Jersey. [2] Departemen Pendidikan Nasional. (2002). Kamus Besar Bahasa Indonesia. Jakarta. Balai Pustaka. [3] Fang, D. G. (2010). Antenna Theory and Microstrip Antennas. New York. [4] Krauss, John D. (1988). Antenas, McGraw-Hill Book Company. [5] Rahmat Dwi Cahyo, Yuli Christyono, Imam Santoso. Perancangan dan Analisis Antena Mikrostirp Array dengan Frekuensi 850 MHz untuk aplikasi Praktikum Antena. Semarang. Tugas Akhir. [6] S.Blanch, J.Romeu, I.Corbella, Exact Representation of Antenna System diversity Performance from Input Parameter Description, Electronics Letters, May 2003, vol 39, No.9, pp.705-707 [7] Setiawan, Denny. Alokasi Frekuensi: Kebijakan dan Perencanaan Spektrum Indonesia. Jakarta. Departemen Komunikasi dan Informatika Direktorat Jendral POS dan Telekomunikasi. [8] Wahab, Mashury, dkk. (2012). Perbaikan, Pembuatan RF Head dan pembuatan Electronic Support Measure (ESM). PPET LIPI Bandung. [9] Zulkifli, Fitri Yuli. (2008). Studi Tentang Antena Cone Dengan Defected Ground Structure (DGS). Depok. Desertasi.